开拓染色体工程_关于刘大钧的故事

开拓染色体工程_关于刘大钧的故事

1982年，国家科技攻关计划出台，这是我国改革开放后的第一个国家科技计划，也是20世纪中国最大的科技计划。它的出台，标志着我国综合性的科技计划从无到有，成为我国科技计划体系发展的里程碑。“六五”科技攻关计划从1981年开始实施，到1985年结束，确定有38个科技攻关项目，涉及农业、能源、交通运输、原材料工业、机电装备、消费品生产、新兴技术以及社会发展等八大领域。其中，38个重大项目下又分为1467个研究专题，细胞工程被列入研究专题。

细胞工程是生物工程的一个重要方面。它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，在细胞水平上进行的遗传操作及大规模的细胞和组织培养。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。细胞工程主要有六大种类：动物细胞的染色体工程、植物细胞的染色体工程、染色体组工程、细胞质工程、细胞融合工程等。

“六五”科技攻关计划出台后，刘大钧和他的科研团队随即申请了“细胞工程-植物染色体工程”项目。当时，刘大钧团队对簇毛麦的研究已经取得一些进展，除已经发现簇毛麦具有对白粉病免疫和籽粒蛋白质含量高等有益特征外，获得了一个硬粒小麦与簇毛麦间的双二倍体，其孕性已基本正常，也具有对白粉病免疫和籽粒蛋白质含量高的优良特征，还获得了一批对白粉病免疫和籽粒蛋白质含量高的回交高代材料。在研究过程中，刘大钧和他的科研团队愈发认识到染色体工程技术是个好东西，通过它可以实现有选择地将亲缘植物的有益性状导入小麦而又不伴随许多不利性状，这对小麦育种的某些突破性进展具有重要的实际价值，并对阐明亲缘植物和小麦的染色体组和个别染色体之间的进化演变关系也有着十分重要的理论意义。

1982年9月，为了落实“六五”科技攻关计划，国家科委在北京召开了一次由有关专家参加的小型论证会议。刘大钧是染色体工程项目的申请人，如期参加了会议。此次会议持续9天，共有超过39家科研单位参加，其中申报植物染色体（组）工程的有9家，分别是中国农科院作物所、中国科学院植物所、复旦大学遗传所、武汉大学、西北植物所、东北师范大学、中国科学院遗传所、南京农学院、南开大学。会上，刘大钧与各方交流工作进展和设想，论证协作攻关计划，他的科研进展和个人风采得到了参会人员的认可。

1983年初，国家科委正式批准刘大钧主持申报的“普通小麦-簇毛麦异附加系培育”项目，该项目被列入“细胞工程-植物染色体工程”重大专项中。在当时业内专家看来，刘大钧“普通小麦-簇毛麦异附加系培育”能顺利通过，也是理所当然。小麦簇毛麦整套异附加系的培育，对于阐明簇毛麦染色体组各成员的同源转化群归属具有重要理论意义，能为小麦育种更有计划、更有成效地利用簇毛麦种质资源提供重要的原始材料。而国外虽然自50年代即有人开始从事将簇毛麦染色体添加到普通小麦染色体组中的研究，但是由于当时对簇毛麦种质在小麦育种中的利用价值还缺乏充分认识，因此和其他亲缘植物，如黑麦、山羊草、偃麦草等的附加系相比，小麦簇毛麦异附加系的培育并未广泛开展。所以刘大钧团队的研究不仅具有首创性，也具有开拓性。(www.guayunfan.com)正当刘大钧染色体工程研究工作刚刚开始的时候，他被任命为南京农学院院长。作为一所刚刚复校不久，一切都还很困难的大学，正需要刘大钧这种有能力、有想法、有魄力的人才。而成为一校之长后，刘大钧肩上的任务更加繁重，为了确保染色体工程的顺利进行，他牺牲了几乎所有休息时间和娱乐时间。据刘大钧的夫人陆家云回忆，1984年春节，刘大钧在家两天都呆不住，大年初二就跑到了实验室，第二年春节同样如此。

正是由于他这种坚毅执着的科研精神，在“六五”科技攻关计划的三年时间里，刘大钧团队的染色体工程项目进展迅速，相继解决了回交转育以及转育材料的自交纯化、细胞学鉴定与转育性状的筛选以及异附加系的区分辨别等关键技术，创造性运用染色体分带技术，于1985年超额完成项目任务，并取得一系列重要科研成果。

硬粒小麦-簇毛麦双二倍体的培育

早在1980年簇毛麦的杂交与回交工作中，刘大钧团队在偶然的情况下，在（四倍体硬粒小麦“中引1320”×簇毛麦）×普通小麦“苏麦3号”授粉后代中，发现了一株散粉良好的可孕BC1植株。其结实率在50%～80%，经细胞学鉴定，2n=42，鉴于该植株及其自交后代均具有颖脊刚毛、叶缘茸毛和对白粉病免疫等标志性状，当时可初步判定其为硬粒小麦与簇毛麦间的异源多倍体。这种创造远缘杂种异源多倍体的方式在理论上和实践中都具有一定的价值。

图5-5　硬粒小麦-簇毛麦标本

为了进一步确认这一远缘杂种染色体组成，刘大钧团队用染色体N-分带技术进行带型分析。分析结果表明，它正好包含硬粒小麦A组的7对染色体和B组的7对染色体，同时还含有簇毛麦V组的7对染色体，充分证明了这一硬粒小麦-簇毛麦双二倍体的性质。在形态和细胞学方面，经过连续两年5个世代的鉴定，也证明其在形态特征、性状遗传和细胞学方面已基本稳定。其株高、穗长、千粒重、籽粒蛋白质含量、籽粒赖氨酸含量介于硬粒小麦与簇毛麦双亲之间，而明显高于一般普通小麦品种。在温室严重自然发病和田间人工接种条件下，该双二倍体对白粉病免疫，在田间自然发病条件下，抗秆锈病和叶锈病（注：SG-001-036，1984年《外源种质在作物育种中的利用研究总结一》。存于南京农业大学档案馆。）。

在国内外最先获得硬粒小麦-簇毛麦双二倍体种质后，刘大钧团队又迅速投入到小麦新品种选育计划中。用该双二倍体与普通小麦杂交、回交，从其后代中又选育出一批对白粉病高抗至免疫的材料，初步显示出簇毛麦在小麦育种利用中的美好前景。该双二倍体还容易与大麦、黑麦、山羊草、冰草等其他小麦亲缘植物杂交，可用作创造多重杂种，它是从多种亲缘物种转移有用种质至普通小麦的“桥梁”。因此，硬粒小麦-簇毛麦双二倍体是一个可供小麦育种利用的不可多得的资源材料。由它所携带的簇毛麦多种有用性状，将大大丰富小麦遗传改良的种质库。1986年，硬粒小麦-簇毛麦作为优良种质材料以及在小麦育种利用上的广阔前景，获得了农牧渔业部科学技术进步三等奖。这是刘大钧继“宁麦3号”之后，第二次荣获部级奖励。虽然在这之后刘大钧获奖频频，但“硬粒小麦-簇毛麦”作为刘大钧在南农复校后的第一个重大科研成果，在他及其团队中始终占据着重要地位。

异附加系和异代换系的创制

普通小麦-远缘物种异附加系（注：“异附加系”（addition line），全称“异染色体附加系”。指通过人工远缘杂交，然后自交或回交，使作物的染色体组添加了异种或异属的一条或一对同源染色体的植物。因当时尚未确定簇毛麦V组的7条染色体与普通小麦A、B、D组染色体的同源关系，故暂用V1-V7来表示，随后通过同工酶和分子标记分析，正式将其命名为1V-7V，即V1→1V，V2→6V，V3→5V，V4→7V，V5→3V，V6→4V，V7→2V。）是指在普通小麦完整的染色体套上增加了额外的近缘植物染色体的个体，它们不仅是进一步创造异代换系（注：“异代换系”（substitution lines）：某种植物的个别染色体被外源植物的一条或一对染色体所代换而形成的新类型，这就被称为异代换系（substitution lines）体的植物新系统。）、易位系（注：易位系：指某物种的一段染色体和另一物种的相应染色体片段发生交换后形成的新类型。）、将近缘种属有用基因导入普通小麦的“桥梁”，也是研究近缘植物和普通小麦之间亲缘关系、进行基因定位等遗传研究的有用工具。

1984年，刘大钧团队用圆锥小麦和普通小麦与簇毛麦杂交，然后再用普通小麦回交多次，通过对其后代根尖细胞有丝分裂中期染色体鉴定，选出了一批2n=43和2n=44的可能是添加单体和添加二体植株，观察这些材料花粉母细胞在减数分裂中期Ⅰ的染色体配对。由于仅用一般的核型分析和染色体配对分析很难判断所添加染色体单体和添加二体，他们又对这些材料进行了有丝分裂中期和减数分裂中期Ⅰ的染色体N-分带分析。采用这些方法，可精确地鉴定出在普通小麦染色体组背景上分别添加了1对簇毛麦V3、V4、V6染色体的二体附加系，它们在细胞学上已基本稳定。其中V3添加系籽粒蛋白质含量高达19.4%，推测V3染色体上带有籽粒高蛋白含量的基因，有可能将它用于小麦改良。

为了进一步探明这些材料的性质，刘大钧团队一方面对这些自交后代的根尖细胞有丝分裂中期染色体进行染色体分带，观察有无簇毛麦染色体导入和导入的是哪一条簇毛麦染色体。与此同时，将它们与普通小麦杂交，观察其F1花粉母细胞在减数分裂中期Ⅰ的染色体配对。根尖细胞有丝分裂中期染色体的N-分带结果清楚地显出在42条染色体中有一对簇毛麦V2染色体。簇毛麦V2代换系对白粉病高抗至免疫，添加了一条或一对V2染色体的单体或二体添加系对白粉病也高抗至免疫，因此有理由认为，簇毛麦V2染色体上带有抗白粉病的基因，它在普通小麦的遗传背景中可以得到很好的效果。

除上述1个双二倍体，3个异附加系和5个异代换系之外，刘大钧团队还获得了一些分别具有穗长超过20厘米、小穗数超过26个、株高低于60厘米、籽粒蛋白质含量超过18%、籽粒饱满、颜色浅黄和抗多种病害的中间材料。其中有些材料在细胞学上具有明显的染色体结构变异或数目变异。有些材料在42条染色体中出现了N-带型明显不同于普通小麦A、B、D染色体组和簇毛麦V染色体组中的染色体。

图5-6　1985年，刘大钧（左一）、马育华（左二）在染色体工程成果鉴定会上

刘大钧团队成功地利用染色体工程原理与方法，培育出异附加系、异代换系，对有效地从亲缘物种向栽培植物转移有用基因，促进作物品种改良具有重要基础应用价值。通过染色体工程研究，使刘大钧团队科研思路更加清晰，其核心就是将基础研究与应用研究相结合，将近期的研究目标和长远的研究目标相结合，将发展研究方法和创造研究材料相结合。这种思路非常有利于学科发展和队伍建设，这也就不难解释为什么在刘大钧当了校长以后，他的团队科研不但没有放慢发展速度，反而进入到一个迅猛发展时期。